Dissolution du CuSO₄ en Milieu Aqueux

Le sulfate de cuivre (II) anhydre (\(CuSO_4\)) est un composé ionique solide. Cela signifie qu'à l'état solide, il est constitué d'un assemblage ordonné d'ions cuivre \(Cu^{2+}\) et d'ions sulfate \(SO_4^{2-}\). Lorsqu'il est mis en solution dans l'eau, les molécules d'eau, qui sont polaires, interagissent avec ces ions. Ces interactions sont suffisamment fortes pour rompre les liaisons ioniques du solide. Les ions se séparent alors les uns des autres et se dispersent dans le solvant. Chaque ion s'entoure de molécules d'eau : on dit qu'ils sont solvatés ou, plus spécifiquement ici, hydratés (car le solvant est l'eau). L'indice \((s)\) indique l'état solide et \((aq)\) indique que l'espèce est en solution aqueuse (dissoute et hydratée).

La masse molaire moléculaire d'un composé est la masse d'une mole de ce composé. Elle se calcule en additionnant les masses molaires atomiques de tous les atomes qui constituent une molécule (ou une unité formulaire pour un composé ionique). Ces masses molaires atomiques sont généralement fournies ou se trouvent dans le tableau périodique des éléments.

La quantité de matière, notée \(n\) et exprimée en moles (mol), représente un nombre spécifique d'entités chimiques (atomes, molécules, ions). Une mole correspond au nombre d'Avogadro (\(N_A \approx 6.022 \times 10^{23}\)) d'entités. Pour calculer la quantité de matière d'un échantillon à partir de sa masse \(m\) et de sa masse molaire \(M\), on utilise la relation fondamentale : \(n = \frac{m}{M}\).

Données : \(m = 8.0 \text{ g}\), \(M(CuSO_4) = 159.6 \text{ g/mol}\).

Le nombre de chiffres significatifs du résultat doit correspondre à celui de la donnée la moins précise utilisée dans le calcul. Ici, la masse \(m = 8.0 \text{ g}\) a deux chiffres significatifs.

La concentration molaire \(C\) d'une solution exprime la quantité de matière de soluté (l'espèce chimique initialement dissoute, ici \(CuSO_4\)) présente dans un litre de solution. On parle de "soluté apporté" car on considère le \(CuSO_4\) avant sa dissociation en ions. La formule est \(C = \frac{n}{V}\), où \(n\) est la quantité de matière du soluté en moles et \(V\) est le volume total de la solution en litres (L).

Données : \(n_{CuSO_4} \approx 0.050125 \text{ mol}\) (on utilise la valeur non arrondie pour plus de précision dans les calculs intermédiaires), \(V = 250 \text{ mL} = 0.250 \text{ L}\).

En respectant les deux chiffres significatifs des données initiales :

Les concentrations molaires effectives des ions sont les concentrations réelles de chaque type d'ion présent en solution après la dissolution et la dissociation du soluté. L'équation de dissolution \( CuSO_{4(s)} \rightarrow Cu^{2+}_{(aq)} + SO_{4(aq)}^{2-} \) nous indique les proportions stœchiométriques : pour chaque unité de \(CuSO_4\) qui se dissout, un ion \(Cu^{2+}\) et un ion \(SO_4^{2-}\) sont libérés.

Par conséquent, la concentration de chaque ion est directement liée à la concentration du soluté apporté \(C\) et aux coefficients stœchiométriques dans l'équation de dissolution (ici, ils sont tous égaux à 1) :

La concentration massique \(C_m\) (parfois notée \(t\)) représente la masse de soluté dissous par litre de solution. Elle s'exprime généralement en grammes par litre (g/L). On peut la calculer de deux manières : 1. Directement à partir de la masse de soluté \(m\) et du volume de la solution \(V\) : \(C_m = \frac{m}{V}\). 2. À partir de la concentration molaire \(C\) et de la masse molaire du soluté \(M\) : \(C_m = C \times M\).

Données : \(m = 8.0 \text{ g}\), \(V = 250 \text{ mL} = 0.250 \text{ L}\), \(C \approx 0.2005 \text{ mol/L}\), \(M(CuSO_4) = 159.6 \text{ g/mol}\).

Méthode 1 : Directement avec la masse et le volume.

Méthode 2 : En utilisant la concentration molaire et la masse molaire.

En respectant les deux chiffres significatifs :

La dilution est un processus qui consiste à diminuer la concentration d'une solution (appelée solution mère, \(S_0\)) en y ajoutant du solvant pour obtenir une nouvelle solution (appelée solution fille, \(S_1\)) moins concentrée. Lors d'une dilution, la quantité de matière de soluté prélevée de la solution mère est conservée et se retrouve intégralement dans la solution fille. Ce principe de conservation de la quantité de matière de soluté se traduit par la relation : \(n_0 = n_1\), où \(n_0\) est la quantité de matière de soluté dans le volume \(V_0\) prélevé de la solution mère et \(n_1\) est la quantité de matière de soluté dans le volume final \(V_1\) de la solution fille. Comme \(n = C \times V\), on a \(C_0 V_0 = C_1 V_1\).

a. Calcul du volume \(V_0\) de solution mère à prélever

Données :

• Concentration de la solution mère : \(C_0 = C \approx 0.2005 \text{ mol/L}\) (valeur plus précise pour le calcul)
• Volume de la solution fille à préparer : \(V_1 = 100 \text{ mL} = 0.100 \text{ L}\)
• Concentration de la solution fille souhaitée : \(C_1 = 0.040 \text{ mol/L}\)

En pratique, on arrondira à une valeur prélevable avec la verrerie de précision disponible. Par exemple, si on dispose d'une pipette jaugée de \(20.0 \text{ mL}\), on pourrait l'utiliser, sachant que cela introduira une légère imprécision par rapport à la concentration cible de \(0.040 \text{ mol/L}\) si on ne réajuste pas les autres paramètres.

b. Protocole expérimental de dilution

La préparation d'une solution par dilution nécessite l'utilisation de verrerie de précision pour garantir l'exactitude des volumes prélevés et du volume final de la solution fille.

Pour préparer la solution fille \(S_1\) :

1. Rincer une pipette jaugée de \(20.0 \text{ mL}\) avec un petit volume de la solution mère \(S_0\) pour éliminer les impuretés et s'assurer que la concentration de la solution prélevée n'est pas modifiée par des résidus d'eau. Jeter cette solution de rinçage.
2. À l'aide de cette pipette jaugée et d'un dispositif de pipetage (propipette ou poire à pipeter), prélever \(20.0 \text{ mL}\) de la solution mère \(S_0\). S'assurer que le bas du ménisque est aligné avec le trait de jauge de la pipette.
3. Verser ce prélèvement dans une fiole jaugée de \(100.0 \text{ mL}\) propre. La pointe de la pipette doit toucher le col de la fiole pour éviter les pertes.
4. Ajouter de l'eau distillée jusqu'aux trois quarts environ du volume de la fiole. Boucher et agiter doucement par retournement pour commencer à homogénéiser la solution.
5. Compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge de la fiole. Pour cette étape finale, utiliser une pissette d'eau distillée, puis une pipette Pasteur pour ajuster précisément le bas du ménisque au trait de jauge.
6. Boucher la fiole jaugée et agiter plusieurs fois par retournement lent pour bien homogénéiser la solution fille \(S_1\).

Verrerie de précision nécessaire : pipette jaugée de \(20.0 \text{ mL}\), fiole jaugée de \(100.0 \text{ mL}\).

Soluté :

Espèce chimique (solide, liquide ou gaz) qui est dissoute dans un solvant.

Solvant :

Espèce chimique majoritaire (souvent liquide) dans laquelle le soluté est dissous. L'eau est un solvant courant.

Solution :

Mélange homogène obtenu par dissolution d'un soluté dans un solvant.

Dissolution :

Processus par lequel un soluté se disperse dans un solvant pour former une solution.

Masse Molaire (M) :

Masse d'une mole d'une substance. Unité : gramme par mole (g/mol).

Quantité de Matière (n) :

Nombre de moles d'une substance. Unité : mole (mol).

Concentration Molaire (C) :

Quantité de matière de soluté par litre de solution. Unité : mole par litre (mol/L).

Concentration Massique (Cm ou t) :

Masse de soluté par litre de solution. Unité : gramme par litre (g/L).

Ion :

Atome ou groupe d'atomes ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, portant ainsi une charge électrique.

Équation de Dissolution :

Équation chimique qui représente la séparation des ions d'un composé ionique lors de sa dissolution dans un solvant.

Dilution :

Processus consistant à diminuer la concentration d'une solution en y ajoutant du solvant.

Solution Mère :

Solution initiale, plus concentrée, à partir de laquelle on prépare une solution fille par dilution.

Solution Fille :

Solution obtenue par dilution d'une solution mère.